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Die Erfindung betrifft ein Wasserstoff-Speicherkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wasserstoff-Speicherkraftwerks.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene energetisch relevante Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bekannt.
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Ein solches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die so genannte Dampfreformierung. Hierbei werden bei hoher Temperatur und hohem Druck Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan und andere, als Reduktionsmittel für Protonen von Wasser eingesetzt. Dabei entsteht als Synthesegas ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Ein Mengenverhältnis der Reaktionsprodukte kann anschließend mittels der so genannten Wassergas-Shift-Reaktion zu Gunsten von Wasserstoff verbessert werden. Hierbei entsteht jedoch Kohlendioxid und der Wirkungsgrad beträgt lediglich 60 % bis 70 %.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Wasserelektrolyse, bei welcher Wasser in einer elektrochemischen Redoxreaktion durch Zufuhr von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Hierbei ist ein Energieaufwand von ca. 45 kWh/kg Wasserstoff erforderlich.
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Weiterhin ist die Gewinnung von Wasserstoff durch eine Methan-Plasmalyse bekannt. Unter einer Plasmalyse wird dabei im Allgemeinen ein elektrochemischer Prozess verstanden, bei dem eine Spannungsquelle erforderlich ist. Dabei beschreibt die Plasmalyse eine plasmachemische Dissoziation von organischen und anorganischen Verbindungen in Wechselwirkung mit einem thermischen- oder nichtthermischen Plasma zwischen zwei Elektroden. In der Methan-Plasmalyse wird Methan, beispielsweise aus Erdgas, unter Sauerstoffabschluss in einem Plasma in Wasserstoff und Kohlenstoffstoff zerlegt. Hierbei ist ein Energieaufwand von ca. 10 kWh/kg Wasserstoff erforderlich. Eine Reinheit von mittels der Methan-Plasmalyse hergestelltem Wasserstoff beträgt ca. 98 %.
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Eine solche zur Methan-Plasmalyse vorgesehene Plasmalysevorrichtung beschreibt die
DE 10 2020 116 950 A1 . Die Plasmalysevorrichtung ist zu einem koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltenden Gasen in molekularen Wasserstoff und ein Beiprodukt vorgesehen und enthält:
- - einen gasdichten Reaktionsraum,
- - eine Gaszuleitung für das wasserstoffenthaltende Gas in den Reaktionsraum,
- - genau eine Plasmaelektrode zum Erzeugen von Koronaentladungen im Reaktionsraum mittels einer hochfrequenten Wechselspannung und
- - eine Gasableitung für molekularen Wasserstoff aus dem Reaktionsraum.
Der gasdichte Reaktionsraum ist von einer Wand umschlossen, die ausgebildet ist, die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch zu isolieren. Die Plasmaelektrode ist mit einem Hochfrequenzgenerator zum Erzeugen der hochfrequenten Wechselspannung verbunden.
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Auch ist aus dem Stand der Technik eine Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen bekannt, welche rein thermisch sein kann.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff bekannt. Die Speicherung erfolgt dabei in Form einer Druckgasspeicherung, einer Flüssiggasspeicherung, einer Absorptionsspeicherung, einer Adsorptionsspeicherung oder einer Speicherung des Wasserstoffs mittels einer chemischen Bindung desselben an einen anderen Stoff.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen zur Energiegewinnung aus Wasserstoff bekannt. Hierzu zählen beispielsweise Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2020 002 276 A1 eine Stromerzeugungsanlage und ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage. Die Antriebseinheit ist ein drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation. Zur Regelung auf die vorgegebene Soll-Drehzahl erfolgt eine Veränderung eines dem Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation zugeführten Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs. Als Betriebsgas wird Argon verwendet. Argon wird hierbei über einen Auslasskanal des Wasserstoffmotors und über einen Zirkulationsweg zu einem Einlasskanal zirkuliert und in den Brennraum zurückgeführt. Es handelt sich hierbei um einen geschlossenen Kreislauf, welcher eine Verbrennung ohne Umgebungsluft realisiert.
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Weiterhin ist aus der
WO 2014/161531 A2 ein Verfahren zur energieeffizienten Sauerstofferzeugung in einer Biomassevergasung unter Verwendung eines Membranmoduls mit mischleitenden, sauerstoffpermeablen Membranen zur Erzeugung von hochreinem Sauerstoff bekannt. Aus dem Membranmodul austretende Gase werden zur Erwärmung eintretender Frischluft eingesetzt, wobei mehr als 50 % im Abgas enthaltener Wärmeenergie zur Vorheizung der Frischluft genutzt werden. Ein weiteres Aufheizen auf ein erforderliches Temperaturniveau von 800 °C bis 900 °C erfolgt durch direkte Einspeisung von Brenn- oder Synthesegas aus der Biomassevergasung in den Verbrennungsraum des Membranmoduls.
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Die
DE 10 2019 128 882 B3 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Wasserstoff-Kreislaufmotors mit einem Oxidatorgas aus Sauerstoff und einem an der Verbrennung nicht beteiligten Inertgas, einer Kreislaufführung eines Gasgemisches sowie einer Abtrennung eines Verbrennungsprodukts. Dabei wird der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff unmittelbar aus den Wasserstoff-Kreislaufmotor umgebender Luft gewonnen, - indem zwei mit Sauerstoffspeichermaterial befüllte Reaktoren jeweils abwechselnd in zwei Phasen betrieben werden. Dabei werden in einer ersten Phase die Reaktoren mit Luft befüllt, so dass sich der in der Luft befindliche Sauerstoff in das Sauerstoffspeichermaterial einlagert. In einer zweiten Phase werden die Reaktoren, die mit dem Sauerstoff im Sauerstoffspeichermaterial angereichert wurden, mit dem durch die Verbrennung ausgestoßenen Gasgemisch gespült, so dass das Gasgemisch mit dem im Sauerstoffspeichermaterial eingelagerten Sauerstoff angereichert wird. Nach der zweiten Phase wird das entstandene Gasgemisch der Kreislaufführung zugeführt, wobei nachfolgend Wasser durch Auskondensation abgetrennt wird, so dass das Gasgemisch als Oxidatorgas, enthaltend den Sauerstoff und das Inertgas, dem Wasserstoff-Kreislaufmotor zugeführt wird.
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Die
DE 10 2019 002 500 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung eines Reaktors, der ein Reaktorbett aufweist, das Kohlenstoff aufweist, wobei der Reaktor weiterhin ein erstes und eines zweites Wärmeträgerbett zur Wärmespeicherung aufweist. Die Wärmeträgerbetten weisen ein Inertmaterial auf. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - Erzeugen einer Reaktionstemperatur im Reaktorbett sowie einer ersten Temperatur im ersten Wärmeträgerbett und einer zweiten Temperatur im zweiten Wärmeträgerbett, wobei bei der Reaktionstemperatur Methan durch Protolyse des Methans zu Kohlenstoff und Wasserstoff umsetzbar ist, wobei die erste Temperatur unterhalb der Reaktionstemperatur liegt, und wobei die zweite Temperatur unterhalb der ersten Temperatur liegt,
- - Einleiten von Methan in das erste Wärmeträgerbett, wobei das erste Wärmeträgerbett abgekühlt wird, und Weiterleiten des Methans aus dem ersten Wärmeträgerbett in das auf Reaktionstemperatur befindliche Reaktorbett, wobei im Reaktorbett durch Protolyse des Methans Kohlenstoff und Wasserstoff erzeugt werden, wobei das Reaktorbett abgekühlt wird und erzeugter Kohlenstoff im Kohlenstoffbett abgeschieden wird,
- - Einleiten des erzeugten Wasserstoffs in das zweite Wärmeträgerbett, wobei das zweite Wärmeträgerbett erwärmt wird sowie Abziehen des erzeugten Wasserstoffs aus dem zweiten Wärmeträgerbett,
- - Erwärmen des zweiten Wärmeträgerbetts auf eine Temperatur, die größer oder gleich der besagten Reaktionstemperatur ist, und
- - Führen eines Inertgases durch das zweite Wärmeträgerbett, das Reaktorbett und das erste Wärmeträgerbett, um Wärme in das Reaktorbett und das erste Wärmeträgerbett zu transportieren, so dass wiederum im Reaktorbett die Reaktionstemperatur, im ersten Wärmeträgerbett die erste Temperatur und im zweiten Wärmeträgerbett die zweite Temperatur vorliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Wasserstoff-Speicherkraftwerk und ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Wasserstoff-Speicherkraftwerks anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Speicherkraftwerk, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Wasserstoff-Speicherkraftwerk weist zur Erzeugung von Wasserstoff aus Methan oder Erdgas eine Pyrolysevorrichtung zur Methan-Pyrolyse oder Erdgas-Pyrolyse und/oder eine Plasmalysevorrichtung zu einer Methan-Plasmalyse und/oder Erdgas-Plasmalyse auf. Weiterhin weist das Wasserstoff-Speicherkraftwerk eine ausgangsseitig mit der Pyrolysevorrichtung gekoppelte Speichervorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs oder eine ausgangsseitig mit der Plasmalysevorrichtung gekoppelte Speichervorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs auf. Ferner weist das Wasserstoff-Speicherkraftwerk einen ausgangsseitig mit der Speichervorrichtung gekoppelten Wasserstoffverbrennungsmotor auf.
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Erfindungsgemäß weist der Wasserstoffverbrennungsmotor einen geschlossenen Edelgaskreislauf zu einer Edelgaszirkulation auf, welcher von einem Auslasskanal des Wasserstoffverbrennungsmotors über einen Zirkulationsweg zu einem Einlasskanal des Wasserstoffverbrennungsmotors führt und ein Edelgas von dem Auslasskanal über den Einlasskanal in einen Brennraum des Wasserstoffverbrennungsmotors führt.
Der in dem Pyrolyse- und/oder Plasmalyseverfahren besonders energieeffizient hergestellte Wasserstoff weist eine Reinheit von ca. 98 % auf. Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, welche einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kann jedoch nur mit Wasserstoff mit höherer Reinheit betrieben werden. Somit ist zu einer Verwendung des Wasserstoffs eine Reinigung desselben erforderlich, welche sehr aufwändig ist. Ein Wasserstoffverbrennungsmotor zeichnet sich gegenüber einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle durch einen geringeren Wirkungsgrad aus, kann jedoch auch mit Wasserstoff mit geringerer Reinheit betrieben werden.
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Der in dem erfindungsgemäßen Wasserstoff-Speicherkraftwerk verwendete Wasserstoffverbrennungsmotor mit geschlossenem Edelgaskreislauf, welcher als Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise als Hubkolbenmotor oder Turbine, ausgebildet ist, weist dagegen einen ähnlich hohen Wirkungsgrad wie eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle auf, kann jedoch ebenfalls mit Wasserstoff mit geringer Reinheit betrieben werden. Diese Wirkungsgraderhöhung ergibt sich daraus, dass der Edelgaskreislauf geschlossen ist und eine Verbrennung des Wasserstoffs ohne Umgebungsluft realisiert. Durch die Verwendung des Edelgases als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas wird aufgrund eines hohen thermodynamischen Wirkungsgrads des Edelgases ein thermischer Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Brennkraftmaschinen erhöht. Auch zeichnet sich der Wasserstoffverbrennungsmotor insbesondere gegenüber einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle durch besonders geringe spezifische Kosten und eine lange Haltbarkeit sowie ebenfalls durch eine hohe Effizienz und eine Emissionsfreiheit aus.
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Somit ermöglicht das vorliegende Wasserstoff-Speicherkraftwerk in besonders vorteilhafter Weise eine Kombination des energieeffizienten Pyrolyse- und/oder Plasmalyseverfahrens zur Herstellung von Wasserstoff mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor mit geschlossenem Edelgaskreislauf und zeichnet sich dabei durch einen geringen erforderlichen Energieeinsatz bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus. Eine dabei eingangsseitig beispielsweise für die Plasmalyse verwendete elektrische Energie ist dabei geringer als eine beispielsweise mittels eines mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor gekoppelten und von diesem angetriebenen elektrischen Generators erzeugte elektrische Energie.
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Das Wasserstoff-Speicherkraftwerk ermöglicht so, dass beispielsweise bei einem Überschuss an elektrischer Energie in einem elektrischen Netz aus Erdgas und/oder Methan besonders effizient Wasserstoff gewonnen und gespeichert wird. Dabei wird kein Kohlenstoffdioxid, sondern elementarer Kohlenstoff abgeschieden. Wird dagegen elektrische Energie benötigt, wird der Wasserstoff in dem Wasserstoffverbrennungsmotor ebenfalls sehr effizient verbrannt und mittels des Wasserstoffverbrennungsmotors ein elektrischer Generator angetrieben, welcher erzeugte elektrische Energie in das elektrische Netz einspeist.
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Dabei kann das Wasserstoff-Speicherkraftwerk, ähnlich zu einem Pumpspeicherkraftwerk, genutzt werden, um im Rahmen eines Handels elektrischer Energie an einer Energiebörse diese bei geringen Energiepreisen kostengünstig einzukaufen und mit dieser Energie den Wasserstoff zu erzeugen und zu speichern. Bei hohen Energiepreisen kann der gespeicherte Wasserstoff dann in einer Rückverstromung mittels des Wasserstoffverbrennungsmotors verbrannt werden und die dabei erzeugte elektrische Energie zu hohen Preisen verkauft und in das elektrische Netz eingespeist werden. Hierbei zeichnet sich das Wasserstoff-Speicherkraftwerk durch eine kostengünstige chemische Energiespeicherung mit hoher Kapazität aus und ist besonders vorteilhaft zu einer Langzeitspeicherung geeignet.
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Weiterhin weist die Plasmalysevorrichtung eine Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle zur Entnahme von bei der Methan-Plasmalyse und/oder Erdgas-Plasmalyse entstehender Abwärme und der Wasserstoffverbrennungsmotor eine Abgas-Abwärmeentnahmestelle zur Entnahme von bei der Verbrennung des Wasserstoffs erzeugter und in ein Abgas des Wasserstoffverbrennungsmotors übertragener Abwärme aus dem Abgas auf. Das heißt, sowohl der Wasserstoffverbrennungsmotor als auch die Plasmalyse bzw. Pyrolyse stellen Hochtemperaturabwärme von beispielsweise ca. 400 °C zur Verfügung. Die Abwärmeentnahmestellen ermöglichen eine Sortierung der Abwärme nach ihrer Temperatur und dadurch eine optimierte Verwendung und/oder Speicherung der Abwärme in dem Wasserstoff-Speicherkraftwerk und/oder kraftwerkexternen Anwendungen.
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Dabei sind die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle als Wärmequelle mit einem thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise einem (Wasser-)Dampfprozess, einem Organic-Rankine-Prozess oder einem überkritischen CO2-Prozess, gekoppelt und der thermodynamische Kreisprozess ist mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt. Die dabei erzeugte elektrische Energie kann wiederum Anwendungen innerhalb des Wasserstoff-Speicherkraftwerks, beispielsweise der Plasmalysevorrichtung und/oder einem Verdichter zur Verdichtung des Wasserstoffs zu dessen Speicherung, zugeführt werden und erhöht somit dessen Wirkungsgrad weiter. Auch kann die erzeugte elektrische Energie Anwendungen außerhalb des Wasserstoff-Speicherkraftwerks zugeführt werden.
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Weiterhin ist ein Schaltelement mit der Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle, der Abgas-Abwärmeentnahmestelle und dem thermodynamischen Kreisprozess medientechnisch gekoppelt, wobei das Schaltelement ausgebildet ist, die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle separat und gemeinsam mit dem thermodynamischen Kreisprozess medientechnisch zu koppeln. Das Schaltelement ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise einen zumindest nahezu unterbrechungsfreien Betrieb des thermodynamischen Kreisprozesses, obwohl Hochtemperatur-Abwärme an der Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und der Abgas-Abwärmeentnahmestelle aufgrund des zeitlich unterschiedlichen Betriebs von Plasmalysevorrichtung und Wasserstoffverbrennungsmotor nicht gleichzeitig anfallen.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks umfasst dieses zumindest eine elektronische Steuereinheit, welche Komponenten des Wasserstoff-Speicherkraftwerks, beispielsweise Ventile, Pumpen und andere Komponenten, steuert.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks ist ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, in welchem aus dem elektrischen Netz entnommene elektrische Energie gespeichert wird und der Pyrolysevorrichtung und/oder Plasmalysevorrichtung zu deren Betrieb zur Verfügung stellt. Dies ermöglicht, elektrische Energie zu Zeitpunkten mit geringen Energiepreisen aus dem elektrischen Netz zu entnehmen, in dem Energiespeicher zu speichern und zu Zeitpunkten mit hohen Energiepreisen die Pyrolysevorrichtung und/oder Plasmalysevorrichtung mit der gespeicherten kostengünstigeren elektrischen Energie zu versorgen, so dass die Pyrolysevorrichtung und/oder Plasmalysevorrichtung eine besonders gute Auslastung haben bzw. hat. So können bzw. kann auch die Pyrolysevorrichtung und/oder Plasmalysevorrichtung kleiner dimensioniert werden. Soll der gespeicherte Wasserstoff zur Rückverstromung mittels des Wasserstoffverbrennungsmotors verbrannt werden, kann dies insbesondere so erfolgen, dass die dabei erzeugte elektrische Energie bei geringen oder mittleren Energiepreisen in den Energiespeicher gespeist wird und bei hohen Energiepreisen aus dem Energiespeicher in das elektrische Netz gespeist wird. Aus der höheren Auslastung der Pyrolysevorrichtung und/oder Plasmalysevorrichtung sowie des Wasserstoffverbrennungsmotors können eine Reduktion von Investitionskosten sowie das Erzielen höherer Preise am Markt erzielt werden, da Zeitabschnitte von sehr hohen oder sehr niedrigen Preisen zumindest teilweise recht kurz sind.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks ist das Edelgas Argon. Argon ist einatomig und zeichnet sich durch einen besonders hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aus, was zu einer weiteren Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads des Wasserstoffverbrennungsmotors führt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks weist dieses eine Sauerstofferzeugungseinheit auf, deren Auslass mit dem Einlasskanal des Wasserstoffverbrennungsmotors gekoppelt ist. Somit kann dem Wasserstoffverbrennungsmotor Sauerstoff in hoher Konzentration zugeführt werden, wodurch dessen Betrieb ermöglicht und dessen Wirkungsgrad weiter erhöht werden kann.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks ist die Sauerstofferzeugungseinheit eine Gaspermeationsvorrichtung, welche zu einer Trennung eines insbesondere als Luft ausgebildeten Gasgemisches zumindest in Sauerstoff und Stickstoff ausgebildet ist. Eine solche Gaspermeationsvorrichtung umfasst beispielsweise eine Gaspermeationsmembran und ist besonders einfach und zuverlässig betreibbar.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks ist die Gaspermeationsvorrichtung zu einer kaskadierten Trennung des Gasgemisches ausgebildet und trennt Stickstoff, Sauerstoff und Argon aus dem Gasgemisch. Dies ermöglicht, dass dem Einlasskanal des Wasserstoffverbrennungsmotors Sauerstoff und Argon zugeführt werden können und ein Argonreservoir verkleinert wird oder entfallen kann. Damit eine Argonkonzentration in dem Edelgaskreislauf nicht über einen vorgegebenen Grenzwert ansteigt, wird dieser insbesondere regelmäßig von überschüssigem Argon befreit, so dass regelmäßig Verunreinigungen aus dem Edelgaskreislauf entfernt bzw. „ausgewaschen“ werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks ist die Pyrolysevorrichtung derart ausgebildet, dass Methan oder Erdgas ohne Druckminderung pyrolysiert werden. Hierfür ist beispielsweise ein druckfester Behälter vorgesehen. Alternativ ist die Plasmalysevorrichtung derart ausgebildet, dass Methan oder Erdgas ohne Druckminderung pyrolysiert werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Anpassung eines Arbeitspunktes, insbesondere Anpassung einer elektrischen Spannung, eines elektrischen Stromes, von Abständen von Elektroden etc. Die vorgenannten Ausbildungen der Pyrolysevorrichtung und/oder der Plasmalysevorrichtung ermöglichen, dass Methan und/oder Erdgas ohne vorherige Druckminderung unmittelbar aus einem Gasnetz entnommen werden können/kann. Daraus folgend kann ein Aufwand zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs auf ein höheres Druckniveau, welches zur Speicherung desselben erforderlich ist, verringert werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Wasserstoff-Speicherkraftwerks weiter erhöht werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks weist dieses eine Kühlkreislauf-Abwärmeentnahmestelle zur Entnahme von bei der Verbrennung des Wasserstoffs erzeugter und in einen Kühlkreislauf des Wasserstoffverbrennungsmotors übertragener Abwärme aus dem Kühlkreislauf auf. Die Kühlkreislauf-Abwärmeentnahmestelle ermöglicht gemeinsam mit der Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und der Abgas-Abwärmeentnahmestelle eine Sortierung der Abwärme nach ihrer Temperatur und dadurch eine optimierte Verwendung und/oder Speicherung der Abwärme in dem Wasserstoff-Speicherkraftwerk und/oder kraftwerkexternen Anwendungen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks ist das Schaltelement zusätzlich mit einer Wärmespeichervorrichtung medientechnisch gekoppelt, wobei das Schaltelement ausgebildet ist, die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle separat und gemeinsam mit der Wärmespeichervorrichtung medientechnisch zu koppeln. Ferner ist das Schaltelement ausgebildet, die Wärmespeichervorrichtung mit dem thermodynamischen Kreisprozess medientechnisch zu koppeln. Die Wärmespeichervorrichtung ermöglicht eine Speicherung der Hochtemperatur-Abwärme der Plasmalysevorrichtung und des Abgases des Wasserstoffverbrennungsmotors, so dass insbesondere dann, wenn keine Abwärme an der Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und der Abgas-Abwärmeentnahmestelle vorliegt oder Abwärme nur in unzureichender Menge vorliegt, Unterbrechungen gepuffert und der thermodynamische Kreisprozess unterbrechungsfrei durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks weist die Wärmespeichervorrichtung zumindest einen latenten Hochtemperaturspeicher mit zumindest einem Phasenwechselmaterial und/oder zumindest einen sensiblen Hochtemperaturspeicher mit zumindest einem sensiblen Speichermaterial, beispielsweise einem Speichergestein, auf.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines vorgenannten Wasserstoff-Speicherkraftwerks werden/wird zur Erzeugung von Wasserstoff aus Methan oder Erdgas eine Methan-Pyrolyse oder Erdgas-Pyrolyse und/oder eine Methan-Plasmalyse und/oder Erdgas-Plasmalyse durchgeführt. Der erzeugte Wasserstoff wird gespeichert. Der gespeicherte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffverbrennungsmotor mit einem geschlossenen Edelgaskreislauf zu einer Edelgaszirkulation, welcher von einem Auslasskanal des Wasserstoffverbrennungsmotors über einen Zirkulationsweg zu einem Einlasskanal des Wasserstoffverbrennungsmotors führt und ein Edelgas von dem Auslasskanal über den Einlasskanal in einen Brennraum des Wasserstoffverbrennungsmotors führt, verbrannt. Dabei werden mittels eines mit einer Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle, einer Abgas-Abwärmeentnahmestelle und einem thermodynamischen Kreisprozess medientechnisch gekoppelten Schaltelement die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle separat oder gemeinsam mit dem thermodynamischen Kreisprozess medientechnisch gekoppelt.
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Das mittels des Wasserstoff-Speicherkraftwerks durchgeführte Verfahren zeichnet sich aufgrund der Kombination des energieeffizienten Pyrolyse- und/oder Plasmalyseverfahrens zur Herstellung von Wasserstoff mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor mit geschlossenem Edelgaskreislauf durch einen geringen erforderlichen Energieeinsatz bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus. Eine dabei eingangsseitig beispielsweise für die Plasmalyse verwendete elektrische Energie ist dabei geringer als eine beispielsweise mittels eines mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor gekoppelten elektrischen Generators erzeugte elektrische Energie.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des erzeugten Wasserstoffs abgezweigt und nicht der Speichervorrichtung zugeführt wird. Dieser Teil kann beispielsweise ein Überschuss sein, welcher von der Speichervorrichtung nicht aufgenommen werden kann. Dieser Teil kann dann mit allgemein bekannten Verfahren wieder methanisiert und in ein Gasnetz zurückspeist werden. Dies ermöglicht, eine Größe der Speichervorrichtung für den Wasserstoff zu verkleinern. Auch kann das aus dem abgezweigten Teil des Wasserstoffs erzeugte Methan direkt verbrannt werden. Dies wäre dann CO2-neutral, da das Kohlenstoffdioxid wieder einen Rohstoff für die Methanisierung bildet. Das Methan kann aber auch in einem Kreislauf geführt werden, so dass beispielsweise mit einer vorhandenen Infrastruktur ein Überschuss an elektrischer Energie genutzt werden kann, um industriell abgeschiedenes Kohlenstoffdioxid zu dekarbonisieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
- 1 schematisch ein Schaltbild eines Wasserstoff-Speicherkraftwerks,
- 2 schematisch eine Gaspermeationsmembran und
- 3 schematisch eine kaskadierte Gaspermeationsmembran.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Schaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Wasserstoff-Speicherkraftwerks 1 dargestellt.
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Das Wasserstoff-Speicherkraftwerk 1 umfasst einen Spannungswandler 2 zur Wandlung einer elektrischen Spannung eines elektrischen Netzes 3 in eine Betriebsspannung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks 1.
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Mit dem Spannungswandler 2 ist über einen Schalter 4 ein Wandler 5 elektrisch koppelbar, über welchen eine Plasmalysevorrichtung 6 elektrisch versorgt wird.
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Die Plasmalysevorrichtung 6 umfasst einen Gaseinlass 6.1, über welchen dieser ein Gas G, insbesondere Erdgas und/oder Methan, zuführbar ist. Eine Gaszufuhr ist mittels eines steuerbaren Ventils 7 einstellbar.
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Weiterhin umfasst die Plasmalysevorrichtung 6 einen Gasauslass 6.2, über welchen Wasserstoff H2 abführbar ist, eine beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildeten Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle 6.3 sowie einen Auslass 6.4 für Kohlenstoff C.
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Der Gasauslass 6.2 ist fluidisch mit einem Verdichter 8 gekoppelt, welcher mittels eines Motors 9 antreibbar ist. Der Motor 9 ist über einen weiteren Schalter 10 elektrisch mit dem Spannungswandler 2 koppelbar.
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Der Verdichter 8 ist ausgangsseitig mit einer Speichervorrichtung 11 zur Speicherung des Wasserstoffs H2 fluidisch gekoppelt.
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Die Speichervorrichtung 11 ist ausgangsseitig mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 gekoppelt. Der Wasserstoffverbrennungsmotor 12 weist einen geschlossenen Edelgaskreislauf 12.1 zu einer Edelgaszirkulation auf, wobei der Edelgaskreislauf 12.1 von einem Auslasskanal 12.2 des Wasserstoffverbrennungsmotors 12 über einen Zirkulationsweg zu einem Einlasskanal 12.3 des Wasserstoffverbrennungsmotors 12 führt und ein Edelgas EG von dem Auslasskanal 12.2 über den Einlasskanal 12.3 in einen Brennraum des Wasserstoffverbrennungsmotors 12 führt.
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Der Wasserstoffverbrennungsmotor 12 umfasst weiterhin eine Kühlkreislauf-Abwärmeentnahmestelle 12.4, eine Abgas-Abwärmeentnahmestelle 12.5 mit einem Wasserablauf 12.5.1 und einen Vorratsbehälter 12.6 für das Edelgas EG, welcher über ein Ventil 12.7 mit dem Edelgaskreislauf 12.1 koppelbar ist.
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Mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 ist ein elektrischer Generator 13 gekoppelt, welcher von dem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 angetrieben wird. Der Generator 13 ist mittels eines weiteren Schalters 14 elektrisch mit dem Spannungswandler 2 koppelbar, so dass mittels des Generators 13 erzeugte elektrische Energie in das elektrische Netz 3 eingespeist werden kann.
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Zur Gewinnung des Wasserstoffs H2 aus Erdgas und/oder Methan werden diese bzw. wird dieses der Plasmalysevorrichtung 6 zugeführt. Das Erdgas und/oder Methan werden/wird dabei in einer möglichen Ausgestaltung ohne vorherige Druckminderung unmittelbar aus einem Gasnetz entnommen.
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Dabei wird das Methan unter Sauerstoffabschluss in einem Plasma gemäß CH4(g) ⇌ C (f) + 2 H2 (g) zersetzt, so dass Wasserstoff H2 und elementarer Kohlenstoff C entstehen.
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Der Kohlenstoff C wird über den Auslass 6.4 abgeführt und der Wasserstoff H2 wird mittels des Verdichters 8 verdichtet und in der Speichervorrichtung 11 gespeichert. Wurden das Erdgas und/oder Methan ohne vorherige Druckminderung in der Plasmalyse zerlegt, kann aufgrund des höheren Druckniveaus ein Aufwand zur Verdichtung des Wasserstoffs H2 verringert werden, da auch der Wasserstoff H2 bereits am Gasauslass 6.2 einen höheren Druck aufweist.
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Alternativ kann der Wasserstoff H2 in einer nicht dargestellten Ausgestaltung in einer Methan-Pyrolyse und/oder Erdgas-Pyrolyse mittels einer Pyrolysevorrichtung erzeugt werden.
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Soll der gespeicherte Wasserstoff H2 zu einer Rückverstromung mittels des Wasserstoffverbrennungsmotors 12 verbrannt werden, wird der Wasserstoff H2 dem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 über ein Ventil 15 zugeführt. Der Edelgaskreislauf 12.1 ist ein geschlossener Kreislauf, wobei als Edelgas EG insbesondere Argon verwendet wird.
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Eine Verbrennung des Wasserstoffs H2 wird ohne Umgebungsluft realisiert. Hierzu wird dem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 Sauerstoff O2 über ein Ventil 16 zugeführt.
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In einer möglichen Ausgestaltung weist das Wasserstoff-Speicherkraftwerk 1 eine mit dem Ventil 16 gekoppelte Sauerstofferzeugungseinheit 17 auf, welche insbesondere eine Gaspermeationsvorrichtung mit einer Gaspermeationsmembran 17.1 und einer Fördereinheit 17.2 ist. Mittels der Fördereinheit 17.2 wird Luft L in die Gaspermeationsmembran 17.1 angesaugt, welche die Luft L in Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und das Edelgas EG, insbesondere Argon, trennt. Somit können dem Einlasskanal 12.3 des Wasserstoffverbrennungsmotors 12 Sauerstoff O2 und Edelgas EG zugeführt werden und der Vorratsbehälter 12.6 kann verkleinert werden oder entfallen. Damit eine Edelgaskonzentration in dem Edelgaskreislauf 12.1 nicht über einen vorgegebenen Grenzwert ansteigt, wird dieser insbesondere regelmäßig von überschüssigem Edelgas EG befreit.
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Bei der Wasserstoffverbrennung mit Betriebsgaszirkulation entsteht Wasser H2O. Dieses Wasser H2O wird über einen Kondensator, welcher beispielsweise Bestandteil eines die Abgas-Abwärmeentnahmestelle 12.5 bildenden Abgas-Wärmetauschers ist, kondensiert und von dem als Arbeitsgas verwendeten Edelgas EG, beispielsweise Argon, getrennt. Infolgedessen wird nur das Edelgas EG über den Zirkulationsweg in den Brennraum des Wasserstoffverbrennungsmotors 12 zurückgeführt.
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Die in dem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 durch Verbrennung des Wasserstoffs H2 in Bewegung umgesetzte Energie wird auf den Generator 13 übertragen, welcher die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt und in das elektrische Netz 3 speist.
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Eine während der Plasmalyse in der Plasmalysevorrichtung 6 entstehende Abwärme und eine während der Verbrennung des Wasserstoffs H2 im Wasserstoffverbrennungsmotor 12 entstehende Abwärme kann in einer möglichen Ausgestaltung des Wasserstoff-Speicherkraftwerks 1 in einem thermodynamischen Kreisprozess 18 genutzt werden. Hierzu sind die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle 6.3 und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle 12.5 als Wärmequelle mit dem thermodynamischen Kreisprozess 18 koppelbar. Der thermodynamische Kreisprozess 18 ist dabei beispielsweise als Dampfprozess, Organic-Rankine-Prozess oder überkritischer CO2-Prozess ausgeführt.
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Eine nicht näher dargestellte Turbine des Kreisprozesses 18 ist in bekannter Weise mit einem elektrischen Generator 19 gekoppelt, welcher Bewegungsenergie der Turbine in elektrische Energie wandelt. Diese elektrische Energie wird über einen weiteren Schalter 20 einem elektrischen Verbraucher des Wasserstoff-Speicherkraftwerks 1 zugeführt und/oder in das elektrische Netz 3 eingespeist.
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Da die Prozesse der Plasmalyse und der Verbrennung des Wasserstoffs H2 zu unterschiedlichen Zeitpunkten und im Allgemein nicht gleichzeitig ablaufen, sind die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle 6.3 und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle 12.5 in einer weiteren möglichen Ausgestaltung über ein Schaltelement 21, welches beispielsweise eine Weiche bildet, mit dem Kreisprozess 18 koppelbar. Dabei ist das Schaltelement 21 derart ausgebildet, dass die Kopplung mit dem Kreisprozess 18 für die Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle 6.3 und die Abgas-Abwärmeentnahmestelle 12.5 separat und gemeinsam erfolgen kann.
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Um den Kreisprozess 18 auch dann betreiben zu können, wenn zumindest kurzzeitig keine oder nur unzureichend Abwärme von der Plasmalyse und der Wasserstoffverbrennung zu Verfügung gestellt werden kann, ist in einer weiteren möglichen Ausgestaltung vorgesehen, dass das Schaltelement 21 zusätzlich mit einer Wärmespeichervorrichtung 22 medientechnisch gekoppelt ist. Somit kann überschüssige Abwärme der Plasmalyse und der Wasserstoffverbrennung gespeichert werden und bei Bedarf dem Kreisprozess 18 zugeführt werden, so dass dieser unterbrechungsfrei betrieben werden kann.
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2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Gaspermeationsmembran 17.1. Die Gaspermeationsmembran 17.1 umfasst ein Gehäuse GE und mehrere hohle Röhren R und ist zu einer Trennung von Luft L in zwei Gasgruppen ausgebildet. Eine Gasgruppe umfasst Stickstoff N2 und die andere Gasgruppe Sauerstoff O2, Kohlenstoffdioxid CO2, Wasser H2O und Edelgase EG.
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In 3 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel einer Gaspermeationsmembran 17.1 dargestellt. Die Gaspermeationsmembran 17.1 ist dabei zu einer kaskadierten Gaspermeation ausgebildet und weist zwei Gaspermeationsmembranen 17.1.1, 17.1.2 auf.
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Dabei ist einer ersten Gaspermeationsmembran 17.1.1, deren Funktion der in 2 gezeigten Gaspermeationsmembran 17.1 entspricht, eine weitere Gaspermeationsmembran 17.1.2 nachgeschaltet, welche die Gasgruppe mit Sauerstoff O2, Kohlenstoffdioxid CO2, Wasser H2O und Edelgase EG wiederum in zwei Gasgruppen trennt. Dabei umfasst eine Gasgruppe Kohlenstoffdioxid CO2 und Wasser H2O und eine weitere Gasgruppe Sauerstoff O2 und als Edelgas EG Argon. Dies ermöglicht, dass dem Wasserstoffverbrennungsmotor 12 ein zumindest nahezu reines Gasgemisch aus Sauerstoff O2 und Argon zugeführt werden kann.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Wasserstoff-Speicherkraftwerk
- 2
- Spannungswandler
- 3
- elektrisches Netz
- 4
- Schalter
- 5
- Wandler
- 6
- Plasmalysevorrichtung
- 6.1
- Gaseinlass
- 6.2
- Gasauslass
- 6.3
- Plasmalyse-Abwärmeentnahmestelle
- 6.4
- Auslass
- 7
- Ventil
- 8
- Verdichter
- 9
- Motor
- 10
- Schalter
- 11
- Speichervorrichtung
- 12
- Wasserstoffverbrennungsmotor
- 12.1
- Edelgaskreislauf
- 12.2
- Auslasskanal
- 12.3
- Einlasskanal
- 12.4
- Kühlkreislauf-Abwärmeentnahmestelle
- 12.5
- Abgas-Abwärmeentnahmestelle
- 12.5.1
- Wasserablauf
- 12.6
- Vorratsbehälter
- 12.7
- Ventil
- 13
- Generator
- 14
- Schalter
- 15
- Ventil
- 16
- Ventil
- 17
- Sauerstofferzeugungseinheit
- 17.1
- Gaspermeationsmembran
- 17.1.1
- Gaspermeationsmembran
- 17.1.2
- Gaspermeationsmembran
- 17.2
- Fördereinheit
- 18
- Kreisprozess
- 19
- Generator
- 20
- Schalter
- 21
- Schaltelement
- 22
- Wärmespeichervorrichtung
- C
- Kohlenstoff
- CO2
- Kohlenstoffdioxid
- EG
- Edelgas
- G
- Gas
- GE
- Gehäuse
- H2
- Wasserstoff
- H2O
- Wasser
- L
- Luft
- N2
- Stickstoff
- O2
- Sauerstoff
- R
- Röhre
